JP2006503528A - 部分的共有巻線を具えた単相誘導電動機 - Google Patents

Abstract

単相３段速誘導電動機は４、６および８極速度構成を有する。一実施形態において、電動機は洗濯機に関連して用いるように組み立てられて配置される。８極速度巻線は４極速度巻線の一部分を共有するが、４極速度巻線のすべてを８極構成に用いられるわけではない。一実施形態において、４極速度巻線は４つの巻線部分を含み、８極速度構成は４つの巻線部分の中の２つの部分を用い、他のスイッチ接点を必要とすることなく、４極モードまたは６極モードで動作するように電動機を再構成する。一実施形態において、共有巻線部分は一般的に非正弦曲線的分布で固定子コア上に巻かれ、非共有巻線部分は一般的に正弦曲線的分布で固定子コア上に巻かれる。

Description

本発明は、一般的には誘導電動機（インダクションモータ）に関し、特に、部分的共有巻線構成を有する多段速（multi-speed）極数切換え形（pole changing）単相誘導電動機に関するものである。

２つまたはそれ以上の極構成（pole configuration）を有する単相誘導電動機（コンデンサ（キャパシタ）始動電動機および分相電動機を含む）は、多くの多段速電動機の適用分野で有用である。例えば、幾つかの洗濯機では４／６／８極単相誘導電動機が使用されている。その理由は、このような電動機は様々なサイクルに対応して或る速度範囲で多段速動作を行い、しかも可変周波数制御器のような複雑で高価な付加制御器を必要としないことによる。低コストの材料と製造原価で、ラン（通常動作）状態と始動（スタート）の双方において良好な性能が得られるように、このような電動機を設計する必要性が依然として存在している。動作（ランニング）性能には、例えば、トルク、速度、電流、温度上昇、効率、寸法およびその他の要素のような幾つかの要素（ファクタ）を評価することが含まれる。始動性能には電動機の速度−トルク曲線の評価が含まれる。

現在製造されている幾つかの４／６／８極電動機は、基本的には独立した４極、６極および８極の主巻線と、始動用の補助巻線（例えば、４極補助巻線）とを使用している。従来の幾つかの構成では、６極巻線は４極巻線の一部を共有している。電動機の寸法を小さくすると共に使用材料（active material）を節約するために、４極および８極巻線を共有する新しい方法が開発され、本願と共に発明され且つ共に譲渡されたＰＣＴ特許出願、発明の名称「共有巻線を具えた単相３段速電動機（SINGLE PHASE THREE SPEED MOTOR WITH SHARED WINDINGS）、１９９９年５月２０日付けで出願された出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９９／１１２３５明細書に記載されている（国際公開番号ＷＯ９９／６３６４５）。ここでその開示内容のすべてを参照して本明細書に組み込む。特に、そこに開示された全共有４／８極構成では、８極モードで動作するように付勢されたすべての巻線が、４極モードでの動作のためにも付勢される巻線構成を採用しており、８極モードでの動作のための別の巻線は設けられていない。
ＷＯ９９／６３６４５

すべての巻線を共有する方式の１つの利点は、必要とする巻線の量を減らすことによって、および／または固定子（stator、ステータ）の寸法を小さくすることによって製造コストを低減することができる点にある。一方、主巻線を４極構成から８極構成に、またはその逆に８極構成から４極構成に再接続するために、始動スイッチの部分としてまたは電動機の外部回路の一部分として別の１個の接点（例えば単極単投スイッチ）を必要とする。もし始動スイッチの部分として別の接点を設けると、始動スイッチは３つのスイッチと４つの接点を必要とする。これを実施すると、始動スイッチがより複雑になり、機械（装置）の取替え、製造原価が高くなる。一方、別の接点を電動機の外部回路の一部分として設けると、この別の接点は、典型的には、タイマまたはリレーの形態になる。

いずれの場合も、すべての巻線を共有する方式の利点を得るためには新しい接点を必要とする。多くの状況において、新しい接点を設けることは受け入れ可能な考え方である。しかし、或る状況においては、新しい接点を設けることは好ましくない。例えば、新しい接点を既存の装置（機器）構成に付加することが実用的でない場合がある。具体的な例として、新しい接点を追加すると、前述の４／８極全共有形電動機の構成を、別の接点を設けない装置（機器）構成における既存の電動機を差込式で置き換えるものとして（as a drop in replacement for）使用することが不可能になる。

このような理由から、新規な部分的共有巻線を具えた電動機の構成が望ましい。このような部分的共有巻線を具えた電動機の構成は、必要な導線（ワイヤー）の量を減少させ、追加の接点を設ける必要がないという効果が得られる。１つの形態では、部分的共有巻線を具えた電動機の構成は、何らの新しい接点をも必要とせずに既存の機器（装置）用電動機に代わる形状、適合性（fit）および機能を実現するように選択される。

発明の概要
本発明は、改良された多段速誘導電動機を実現することにより、前述の要求を満たすと共に、従来技術の欠点を解消するものである。簡単に云えば、本発明の特徴を具えた単相、多段速誘導電動機は固定子コア（芯）を含んでいる。この固定子コアに対して回転する関係で回転子（ロータ）が配置されている。固定子コア上に部分的共有巻線が設けられている。部分的共有巻線は、電動機を４極構成で動作させることが望ましいときはその全体が付勢される。部分的共有巻線は、電動機を８極構成で動作させることが望ましいときはその全体よりも少ない部分が付勢される。

本発明の特徴を具体化した電動機の他の実施形態は固定子コアを含んでいる。この固定子コアに対して回転する関係で回転子が取り付けられている。固定子コア上に複数の巻線要素が巻かれている。その複数の巻線要素（コンポーネント）の中の第１の巻線要素とその複数の巻線要素の中の第２の巻線要素は、電動機を４極の極速度で動作させるように選択的に付勢される。その複数の巻線要素の第３の巻線要素とその複数の巻線要素の第１の巻線要素は、電動機を８極の極速度で動作させるように選択的に付勢され、その複数の巻線要素の第２の巻線要素は、電動機を４極の極速度で動作させるときにのみ付勢される。

別の特徴では、本発明は単相、３段速誘導電動機に関するものである。電動機は、固定子コアと、該固定子コアに対して回転関係にある回転子とを含んでいる。第１の巻線が固定子コア上に巻かれており、Ｎ極構成で選択的に付勢される。Ｎは少なくとも２であり、２の倍数である。第１の巻線は第１の巻線部分と第２の巻線部分とを含んでいる。第２の巻線が固定子コア上に巻かれており、Ｍ極構成で選択的に付勢される。ＭはＮの２倍（２×Ｎ）である。第２の巻線は、第１の巻線の第１の巻線部分を共有しているが、第１の巻線の第２の巻線部分は共有していない。

さらに別の特徴では、本発明は複数の極速度で動作するように配置された電動機に関する。電動機は、固定子コアと、該固定子コアに対して回転関係にある回転子とを含んでいる。第１の巻線部分は電動機を第１の極速度で動作させるように固定子コア上に巻かれている。第１の巻線部分は実質的に正弦曲線的巻線ターン（巻回）分布を有する。第２の巻線部分は電動機を第１の極速度で動作させるように固定子コア上に巻かれている。第２の巻線部分は実質的に非正弦曲線的巻線ターン分布を有する。

さらに別の特徴では、本発明は４極構成および８極構成で動作するように配置された電動機に関する。電動機は、固定子コアと、該固定子コアに対して回転関係にある回転子とを含んでいる。第１の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、電動機を４極形構成で動作させるときのみ付勢される。第１の巻線部分は実質的に正弦曲線的巻線分布を有する。第２の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、電動機を４極構成および８極構成で動作させるときに付勢される。第２の巻線部分は実質的に非正弦曲線的巻線分布を有する。

さらに別の特徴では、本発明は４極構成、６極構成および８極構成で動作するように構成された電動機に関する。電動機は、固定子コアと、該固定子コアに対して回転関係にある回転子とを含んでいる。第１の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、４極構成においてのみ付勢される。第２の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、６極構成においてのみ付勢される。第３の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、８極構成においてのみ付勢される。第４の巻線部分は固定子コア上に巻かれており、４極構成および８極構成において付勢されるが、６極構成では付勢されない。

他の特徴では、本発明は、誘導電動機および誘導電動機に関連して使用される固定子の製造方法を含む製造方法に関するものである。このような方法は、８極巻線構成で部分的に共有される４極巻線を実現すること、正弦曲線的に巻かれた巻線部分および非正弦曲線的に巻かれた巻線部分を含む巻線を実現すること、および／または非順次的（非連続的：non-sequential）十字交差パターン（crisscross pattern）で固定子コアの周囲のスロットに配置される巻線部分を含む巻線を実現すること、を含む。

代替構成として、本発明は様々な他の装置、方法およびシステムを含んでいてもよい。

他の目的および特徴は、一部は明らかであり、また一部は以下で説明されている。

同じ参照番号（文字）は、図全体を通じて同じ部分を表わす。

次に図を参照すると、図１は本発明の特徴に従って構成された３段速（three speed）単相誘導電動機１００の概略的電気回路図である。便宜上、図１は普通の家庭用電化製品構成（例えば、洗濯機）の関係（状況、文脈）で使用される電動機１００を示しており、その電動機を３段速のうちの１つの速度で動作させることが望ましい。特に、図１は電動機１００を４極、６極または８極構成で動作させるように構成された回転子（ステータ）コアに関連して設けられた複数の巻線を示している。固定子コアは、図２および図３に関連して示されており、さらに詳しく説明する。図１は、また、４極補助巻線と複数の極構成の各々に関連する（付随する）電源接続部とを示している。当技術分野で一般的に理解されているように、４極構成は、電動機１００を相対的に高速（ときには極速度（pole speed）と称される）で動作させるように付勢される。８極構成は、電動機１００を相対的に低速で動作させるように付勢される。６極構成は、電動機１００を４極速度と６極速度の間の極速度で動作させるように付勢される。

図示のように、４極巻線構成は、巻線部分１０２、１０４、１０６および１０８（ときにはコイルと称される）を含んでいる。図示の実施形態（即ち、電動機１００を洗濯機との関連で使用する場合）では、４極構成は、スイッチング回路１１０として概略的に示されているタイマ回路を経由して電力線１および電力線２から交流１２０Ｖ（１２０ＶＡＣ）の電力の供給を受ける。より具体的には、電動機１００が４極速度で動作するように構成されているとき、交流１２０Ｖ電力線２は接続部ＢＵに接続され、交流１２０Ｖ電力線１は接続部Ｗに接続される。接続部ＢＵは巻線部分１０２の第１の端部に接続されている。巻線部分１０２の第２の端部は巻線部分１０４の第１の端部に接続されている。巻線部分１０４の第２の端部は、巻線部分１０６の第１の端部に接続された第１の接続点１１２に接続されている。巻線部分１０６の第２の端部は、巻線部分１０８の第１の端部に接続された第２の接続点１１４に接続されている。巻線部分１０８の第２の端部は、保護回路１１８の第１の側部（端子）に接続された第３の接続点１１６に接続されている。保護回路１１８の第２の側部は、上述のように交流１２０Ｖ電力線１に接続された接続部Ｗに接続されている。これによって４極巻線回路が完成する。保護回路１１８は、当技術分野で一般的に使用されているタイプの熱保護装置（thermal protector）を含んでいることが好ましい。

６極巻線構成は、巻線部分１２０と巻線部分１０８とを含んでいる。図示し、本明細書中で説明するように、一実施形態では、巻線部分１２０は複数の巻線部分（１２０Ａ〜１２０Ｆ）を含んでいるが、図１では便宜上１個の巻線部分１２０として示されている。６極巻線構成は、プラグ接続部１３０およびスイッチング回路１１０を経由して電力線２から接続部Ｗ／Ｖにおいて交流１２０Ｖの電力の供給を受ける。より具体的には、電動機１００が６極モードで動作するように構成されているときは、スイッチング回路１１０は電力線２をプラグ１３０を経て接続部Ｗ／Ｎに接続する。接続部Ｗ／Ｎはさらに巻線部分１２０の第１の端部に接続されている。巻線部分１２０の第２の端部は、第２の接続点１１４と巻線部分１０８の第１の端部とに接続されている。巻線部分１０８の第２の端部は保護回路１１８の第１の側部に接続されている。保護回路１１８の第２の側部は、接続部Ｗに接続され、該接続部Ｗはさらに交流１２０Ｖ電力線１に接続されている。これによって６極巻線回路が完成する。巻線部分１０８を含まない異なる電動機１００で６極巻線構成を使用することも可能なことを理解すべきである。

８極巻線構成は、巻線部分１４０、巻線部分１０６および巻線部分１０８を含んでいる。従って、８極巻線構成は４極巻線構成の巻線部分の半分（即ち、巻線部分１０６、１０８）を共有している。換言すれば、８極構成は部分的共有巻線構成であり、巻線部分１４０との間で４極巻線の共有部分１０６および１０８を共有する。さらに別の言い方をすれば、８極巻線は、（電動機１００が８極構成で動作するときのみ付勢される）非共有巻線部分１４０と、４極巻線の共有部分（巻線部分１０６および１０８）とを含むが、４極巻線のすべてを含むわけではない（巻線部分１０２および１０４を含まない）。当技術分野では、従来、このような部分的共有構成は知られていなかった。図は４極巻線構成との間で巻線部分１０６および１０８を共有する８極巻線構成を示しているが、８極巻線が、４極巻線構成との間で巻線部分１０２および１０４を共有する（巻線部分１０６および１０８は共有しない）ように電動機１００を構成することも可能なことに留意すべきである。

図示し、本明細書中の他の部分で説明するように、一実施形態では巻線部分１４０は複数の巻線部分（１４０Ａ〜１４０Ｄ）を含んでいるが、図１では便宜上１つの巻線部分１４０として示されている。８極巻線構成は、プラグ接続部１３０およびスイッチング回路１１０を経由して電力線２から接続部Ｗ／ＯＲにおいて交流１２０Ｖ電力の供給を受ける。電動機１００が８極モードで動作するように構成されているときは、スイッチング回路１１０は電力線２を接続部Ｗ／ＯＲに接続する。接続部Ｗ／ＯＲは巻線部分１４０の第１の端部に接続されている。巻線部分１４０の第２の端部は第１の接続点１１２および巻線部分１０６の第１の端部に接続されている。巻線部分１０６の第２の端部は巻線部分１０８の第１の端部に接続されている。巻線部分１０８の第２の端部は保護回路１１８の第１の側部に接続されている。保護回路１１８の第２の側部は接続部Ｗに接続され、該接続部Ｗはスイッチング回路１１０を経て電力線１に接続されている。これによってその回路が完成する。

一実施形態では、電動機１００は電動機の始動に際して付勢される４極補助巻線１５０を含んでいる。図示の実施形態では、始動はスイッチ接点１６２、１６４を有する電動機スイッチ１６０によって行われる。一実施形態では、電動機スイッチ１６０は遠心スイッチからなる。図１では、電動機スイッチ１６０は始動状態にあるものとして示されている。当技術分野で周知のように、電動機１００の回転が充分なレベルに上昇した（即ち、電動機の回転子の回転が閾値を超えた）とき、電動機スイッチ１６０は、始動用の構成から切り離されて通常動作用の構成（ラン構成）に移動する。換言すれば、うまく始動した後は、回転子の回転によってスイッチの接点１６４を開回路にして、補助巻線１５０を切り離す。遠心スイッチ以外のスイッチを使用してもよい。例えば、固体（半導体）電子スイッチを用いてもよい。このような固体スイッチの一形態では、スイッチの接点をいつ切換えるかを決定するためにそのスイッチを流れる電流を検知する。

電動機１００がコンデンサ始動電動機である場合は、始動コンデンサ（図示せず）は接続部Ｙと接続部Ｗ／Ｂとの間に接続されることが望ましいことを理解すべきである。電動機１００が分相電動機であれば、コンデンサ無しで同様な接続（即ち、接続部Ｙと接続部Ｗ／Ｂとの間の短絡回路）が行われる。接続部Ｗ／Ｂはまた第３の接続点１１６に接続されており、これによって始動モードにおいて電流が保護回路１１８を流れることが保証される。

図２は本発明の特徴に従って構成された３段速単相誘導電動機の巻線図である。さらに詳しくいえば、図２は、電動機１００で使用するのに適した４／６／８極主巻線構成および４極補助巻線構成の一実施形態を示す巻線図である。各主巻線（主巻線および補助巻線）は複数のスロット（溝）を有する固定子コア上に巻かれている。図２は３４個のスロット（２組あり、各スロットはそれぞれＡ〜Ｑと付された組内にある）を有する固定子コアを示している。その種々の巻線はこのようなスロット内に保持されている。固定子コアは、例えば適当な材料からなる複数枚の薄板を積層するという周知の製造技術を使用して形成される。図２はまたプラグ１３０と端子コネクタブロック２０２を示している。

一般に、図２には、８つの主巻線要素Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８、および補助巻線Ａｕｘ（ＯＵＸ）が示されている。各主巻線要素は１つまたはそれ以上の巻線部分を含んでいる。各巻線部分は複数ターン（巻回）の導線（ワイヤー）からなる。特定の固定子スロット中の導線のターン数は図２では丸で囲まれた数字によって示されている。さらに詳しくいえば、特定の丸の中の数字は、関連する主巻線要素に対応するスロット内に保持された特定の導線寸法およびタイプの導線のターン数を表わしている。例えば、参照番号２０４は、巻線部分１０６に関連するＯスロット中に２１ターン（巻回）の１７ゲージの導線が保持されていることを示している。

電動機１００が４極巻線構成で動作するとき、交流１２０Ｖの電力がこの４極巻線を付勢するために端子接続ブロック２０２における接続部ＢＵを経由して電力線２で供給される。図示のように、４極巻線は主巻線要素Ｍ１およびＭ２を含んでいる。巻線要素Ｍ１は巻線部分１０２および１０４で構成されており、巻線要素Ｍ２は巻線部分１０６および１０８で構成されている。従来技術の電動機とは異なり、図２の４極巻線は固定子コアの周囲に非順次的（非連続的：non-sequentially）に巻かれている。より具体的には、４極巻線は巻線部分が互いに１８０度離れて巻かれており、それによって十字交差パターン（crisscross pattern）と称される巻線を作り出す。従って、４極巻線構成は、接続部ＢＵから巻線部分１０２へ、巻線部分１０２から巻線部分１０４（巻線部分１０２から１８０度離れている）へ、巻線部分１０４から巻線部分１０６へ、巻線部分１０６から巻線部分１０８（巻線部分１０６から１８０度離れている）へ、巻線部分１０８から保護装置１１８へ、および保護装置１１８から接続部Ｗへと進む。

６極巻線構成では、この巻線はプラグ１３０における接続部Ｗ／Ｖを経て電力線２の交流１２０Ｖの電力によって付勢される。６極巻線は、主巻線要素Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、および巻線部分１０８を経由して保護装置１１８および接続部Ｗへの帰路（リターン）を含んでいる。巻線要素Ｍ３は巻線部分１２０Ｂおよび１２０Ｄを含んでいる。巻線要素Ｍ４は巻線部分１２０Ａおよび１２０Ｅを含んでいる。巻線要素Ｍ５は巻線部分１２０Ｆを含んでいる。巻線要素Ｍ６は巻線部分１２０Ｃを含んでいる。図２の実施形態に示されているように、６極巻線構成は順次（連続、sequential）巻線部分中で固定子コアの周囲を時計方向に（順次的に、連続的に）進む。従って、６極巻線構成は、接続部Ｗ／Ｖから巻線部分１２０Ａへ、巻線部分１２０Ａから巻線部分１２０Ｂへ、巻線部分１２０Ｂから巻線部分１２０Ｃへ、巻線部分１２０Ｃから巻線部分１２０Ｄへ、巻線部分１２０Ｄから巻線部分１２０Ｅへ、巻線部分１２０Ｅから巻線部分１２０Ｆへ、巻線部分１２０Ｆから巻線部分１０８へ、巻線部分１０８から保護装置１１８へ、保護装置１１８から端子接続部ブロック２０２の接続部Ｗへと進む。前述のように、６極巻線が巻線部分１０８を使用しない形式で本発明の特徴による電動機を使用することもできる。

８極巻線構成では、この巻線はプラグ１３０の接続部Ｗ／ＯＲを経て電力線２の交流１２０Ｖ電力によって付勢される。８極巻線は主巻線要素Ｍ７およびＭ８並びにＭ２を含んでいる。巻線要素Ｍ２が４極巻線の部分的共有巻線部分１０６および１０８から構成されていることを思い起こすべきである。巻線部分Ｍ７は巻線部分１４０Ｂおよび１４０Ｄを含んでいる。巻線部分Ｍ８は巻線部分１４０Ａおよび１４０Ｃを含んでいる。図２に示されているように、８極巻線構成は、固定子コアの周囲を、反時計方向（順次的に、連続的に）の態様で且つ十字交差（非順次的に、非連続的に）の態様で進む。８極巻線は巻線部分１４０Ａ〜１４０Ｄに関して順次的に（連続的に、sequentially）、しかし共有巻線部分１０６および１０８に関しては非順次的に（非連続的に、non-sequentially）巻かれている。従って、８極巻線は、接続部Ｗ／ＯＲから巻線部分１４０Ａへ、巻線部分１４０Ａから巻線部分１４０Ｂへ、巻線部分１４０Ｂから巻線部分１４０Ｃへ、巻線部分１４０Ｃから巻線部分１４０Ｄへ、巻線部分１４０Ｄから巻線部分１０６へ、巻線部分１０６から巻線部分１０８へ、巻線部分１０８から保護装置１１８へ、保護装置１１８から端子接続部ブロック２０２の接続部Ｗへと進む。

図１および図２から明らかなように、８極巻線は４極巻線の一部を共有している。より具体的には、図示の実施形態では、８極巻線は巻線部分１０６および１０８を共有している。従来技術では、６極巻線構成中で４極巻線の一部を共有することのみが知られていた。この共有は、４極巻線と６極巻線がたまたま正しい物理的配列状態で整列したことのみにより可能であった。本発明より前は、８極巻線構成中で４極巻線の一部を共有することに関する同様なクレーム（請求の範囲）を作ることはできなかった。従来の技術では、８極巻線構成中で４極巻線の一部を共有することは有害な（破壊的な）反対方向の磁界を発生させるという結果が生じた。図２に示す形態（例えば、非順次的、非連続的）のような形態で４極巻線を巻くことにより、上記のような有害な（破壊的な）反対方向の磁界を発生させるのを避けることができ、それによって４極巻線のすべてを共有することなく、４極巻線の一部を共有する８極巻線構成が可能になった。

次に図２に示した８極巻線に関連する極について簡単に説明する。図示の実施形態では、巻線部分１４０Ｂおよび１０８は１２時の位置で整列しており、巻線部分１４０Ｄおよび１０６は（１４０Ｂ／１０８から１８０度離れた）６時の位置で整列している。巻線部分１０６および１０８は４極巻線の共有部分となっていることを思い起こされたい。従って、巻線部分１０８によって、巻線部分１４０Ｂ中でより少ないターン数の導線を使用することが可能になる。同様に、巻線部分１０６によって、巻線部分１４０Ｄ中でより少ないターン数の導線ことが可能になる。この特徴は、図２中に示されている種々の巻線部分の巻き方を比較することによってより明らかになるものと思われる。図２に典型例の実施形態から明らかなように、巻線部分１４０Ａおよび１４０Ｃは、巻線部分１４０Ｂおよび１４０Ｄ（例えば、一番外側のスロットで２０ターン）に比してより多くの導線ターン数（例えば、一番外側のスロットで４１ターン）を必要とする。従って、図示の巻線構成によって、巻線部分１４０Ｂ／１０８および１４０Ｄ／１０６は、巻線部分１４０Ａおよび１４０Ｃによって生成される極に実質的に等しい強さをもった極を作り出すことができることを、この分野の専門家は理解するであろう。

さらに、図示の実施形態では、８極巻線は必然的な巻線として巻かれている。４極、６極および補助巻線は通常の巻線として巻かれている。必然的な巻線接続は、各巻線部分（例えば、１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃおよび１４０Ｄ）間に極を誘導し、合計８極を形成する。これらの極はおおよそ（ａ）１２時の位置、（ｂ）１２時の位置と３時の位置との間、（ｃ）３時の位置、（ｄ）３時の位置と６時の位置との間、（ｅ）６時の位置、（ｆ）６時の位置と９時の位置との間、（ｇ）９時の位置、および（ｈ）９時の位置と１２時の位置との間、に位置している。

ここに示した典型例の構成のように、部分的共有巻線構成は、８極巻線を構成するのにより少ない導線ですむという効果がある。典型的な機器（装置）用の電動機は各巻線を構成するのに銅線（copper wire）を使用していることに留意すべきである。このような銅線のコストは些細な問題でなく、価格変動し得る。従って、必要とする導線（ワイヤー）の量を少なくすることはコストおよび製造原価の点で相当に大きい利点をもたらす。或る点では、スロット中に配置される導線が少なくなるので、製造の複雑さを低減することができる。さらに、全部を共有する４／８または２/４極巻線を有する従来技術の構成とは違って、本発明の部分的に共有する４／８極巻線構成は追加的なスイッチ接点を必要としないことを理解すべきである。従って、ここで説明した原理に従って構成された電動機は、（共有４／８極巻線をもたない）既存の電動機に代えて差込式で置き換えるものとして（as a drop in replacement for）適しており、これによって、全共有巻線構成で必要としたようなコスト高になり、複雑な追加のスイッチ接点を必要としない共有巻線による利点（例えば、導線を減少させる）を実現することができる。

図３は図２と同様な固定子コアと巻線を示している。さらに、図３は部分的共有巻線、即ち巻線部分１０６と１０８の他の特徴を強調している。特に、図３は、４極巻線の共有巻線部分（巻線部分１０６、１０８）が独特（ユニーク）で、非正弦曲線的ターン数分布の形をなして分布している（正弦曲線的および非正弦曲線的ターン数分布の特徴については以下でさらに詳細に説明する）。従って、４極巻線は、概して非正弦曲線的分布をなして巻かれた部分（巻線部分１０６、１０８）と、概して正弦曲線的分布をなして巻かれた部分（巻線部分１０２、１０４）とを含んでいる。８極巻線は巻線部分１０６および１０８を共有している。同様に、８極巻線もまた非正弦曲線的分布をなして巻かれた巻線部分と、正弦曲線的分布をなして巻かれた巻線部分（巻線部分１４０Ａ〜１４０Ｄ）とを含んでいる。この配列は、部分的共有巻線構成を採用したときの８極速度の性能を改善することができる。

図２および図３から明らかなように、殆どの巻線部分は概して正弦曲線的ターン数分布をなして巻かれている。正弦曲線的ターン数分布では、巻線部分の内部よりも巻線部分の外部により多くのターンが巻かれている。正弦曲線的巻線分布は、主動作巻線部分を巻くことに関して当技術分野で現在採用されている標準の分布である。非正弦曲線的分布は、外側コイルが内側に移動（シフト）していることを意味する。従って、例えば巻線部分１０２に注目すると、巻線部分１０２の内側に関係するスロット中よりも巻線部分１０２の外側端部に関係するスロット中により多くのターンが存在する。換言すれば、極の内側に向かう方向よりも極の外側に向かう方向により多くのターンが存在する。より具体的には、参照番号３０２、３０４、および３０６によって示すように、最も外側のスロット３０８内には２４のターンが存在し、次のスロット３１０内には２１のターンが存在し、次のスロット３１２内には１５のターンが存在する。巻線部分１０６、１０８、および１２０Ｆを除いて、残りの各巻線部分は概して正弦曲線的分布に従い、巻線部分の外側により多くのターンが配置され、極の内側に向かうにつれてターン数が減少する。

前述のように、巻線部分１０６および１０８は概して非正弦曲線的分布をなして巻かれている。巻線部分１０６および１０８は、また、４極巻線構成および８極巻線構成の両方で付勢される部分的共有巻線部分であることを思い起こす必要がある（即ち、電動機を４極速度および８極速度の両方で動作させるように付勢される）。巻線部分１０６および１０８は、内側スロット内よりも最も外側のスロット内のターン数がより少なくなるように巻かれている（即ち、極の外側に向かうにつれてターン数が少なくなる）。参照番号３２０、３２２および３２４によって示されているように、最も外側のスロット３２６内には２０のターンが存在し、次の２つのスロット３２８および３３０の各々の中には２１のターンが存在する。このような非正弦曲線的巻線パターンは８極巻線が４極巻線の一部分を共有しているときに有益であることが判った。さらに、あまり多くのターンを巻線部分の内側に移動（シフト）させると、４極速度の速度／トルク曲線にカスプ（尖点：cusp）が生ずる可能性のあることが判った。共有巻線部分に対する非正弦曲線的巻線分布を適正に選択すると、８極速度構成で非共有８極巻線構成の動作性能特性と同様の動作性能特性を実現することができるという利点が得られる。

図３は、また当技術分野で周知の技術に従って固定子コアに対して回転する関係で取り付けられた回転子（ロータ）３３０を示している。簡単に説明すると、巻線構成の１つを付勢することによって生成された回転磁界は、図１に関して先に述べた４／６／８極速度に対応する速度で回転子３３０を回転させる。図３は固定子の内側にある回転子を示しているが、本発明はこのような構成（配列）に限定されるものではなく、例えば、インサイド−アウト（inside-out、裏返し配置の）電動機構成に関連して使用する場合にも適用することができるであろう。

ここで図示し説明した典型例の実施形態のような部分的共有巻線構成の利点は、特に、８極巻線を構成するのに必要な導線の量を節約することができる点にある。この利点を表わすために使用することができる１つの指標として、固定子スロットの平均占有率（slot fill）がある。図２の構成に類似した構成を従来技術による４／６／８極電動機（４極始動巻線を有する）の形式（形態）、適合性および機能と比較したとき、スロットの平均占有率は約６６．３７％から約６１．８％に低下した。同様に、図２の構成に実質的に類似した構成を従来技術による４／６／８極電動機の形式、適合性および機能と比較したとき、スロットの平均占有率は約６２．３％から約５９．２％に低下した。このような減少は、特定の電動機を構成するのに必要な導線の量に関してかなりのコスト節減になる。さらに、このようなスロットの平均占有率の減少によって生産性が改善される。その理由は、固定子のスロット中で使用される導線が少なくなるからであり、このことは導線を挿入するのに必要な力を低減することができることを意味する。挿入する力を低減することによって、製造工程の期間において傷が付いたり破損する導線の量が減少することを意味することを理解すべきである。このような改善により、コストを節減すると共に電動機の品質を改善することができる。

８極構成で４極の巻線の一部を共有すると、或る動作環境および動作シナリオの下では熱に関する懸念が生じる可能性のあることに注目する必要がある。例えば、巻線を充分に冷却する充分な機会（環境）を与えずに共有巻線部分が付勢される場合は、この熱に関する問題が重要になってくる。都合のよいことに、本発明により得られたスロット内の占有率の減少を、上記のような熱に関する問題を解消するのに利用することができる。共有部分で使用される導線は、より良好な冷却効果が得られるように充分な大きさの寸法にすることができる。

本発明の部分的共有巻線構成の従来技術より優れている他の点は、ターンの不均衡状態を減少させることができることである。ターンの不均衡状態は電動機の性能に影響を及ぼす。ターンの不均衡状態の１つの尺度は６極構成に関連する巻線部分（ここでは６極ターン不均衡と称する）を比較することによって決定される。例えば、６極構成は巻線部分１２０Ｆおよび１０８によって発生される極を有し、反対側の極は巻線部分１２０Ｃによって発生される。巻線部分１２０Ｃに関連する各スロット中には、巻線部分１２０Ｆに関連するスロット中の導線のターン数より多くのターン数の導線が存在する。図２に示した実施形態に類似した電動機の一実施形態は、従来技術による電動機と同様な形式、適合性および機能と比較したとき、不均衡を約１．３８から約１．２２に減少させることによって６極ターンの不均衡を改善した。他の実施形態は、不均衡を約１．１８から約１．０５に減少させることによってターンの不均衡を改善した。

ここで図示し説明した部分的共有巻線構成によって大きな利点を得ることができることを理解すべきである。さらに、好ましい実施形態として４／６／８極電動機構成について説明したが、本発明は４／６／８極電動機構成に限定されるものではないことを理解すべきである。本発明はより大きな適用性をもっている。例えば、２／４極電動機、４／８極電動機、２／８極電動機、等の２段速電動機で本発明の特徴を発揮することができる。実際に、本発明の特徴は、第１の極速度Ｎおよび他の極速度Ｍを有する構成に適用することができ、ここでＮは少なくとも２（または例えば４のような２の倍数）であり、Ｍは偶数の整数で最小Ｎの２倍である。従って、典型例の部分的共有巻線の対には、２／４、２／８、４／８、６／１２、８／１６、等が含まれる。

前述の説明は、誘導電動機、および誘導電動機に関連して使用される固定子の製造方法を含む製造方法にも関係することを理解されたい。このような方法には、例えば、（ａ）８極巻線構成において共有される第１の巻線部分と、８極巻線構成で共有されない第２の巻線部分とを有する４極巻線を固定子上に巻くこと、（ｂ）正弦曲線的に巻かれた巻線部分と非正弦曲線的に巻かれた巻線部分とを含む巻線を提供すること、（ｃ）固定子の周囲のスロット中に非順次的／十字交差パターンで配置された巻線部分を含む電動機の巻線を提供すること、が含まれる。

上述の点から判断して、本発明の幾つかの目的が達成され、他の利点が得られることは明らかである。

本発明の要素（エレメント）または本発明の好ましい実施形態を明細書中で表わすときに、冠詞“a”、“an”、“the”および“said”は１またはそれ以上の要素が存在することを意味している。用語“comprising”、“including”および“having”は“含む”ことを意図するものであり、リストアップされた要素以外の追加的な要素も存在し得ることを意味する。

本発明の範囲から逸脱することなく上述の構成および方法について種々の変更が可能であるから、上述の説明に含まれるすべての事項または添付の図面に示したすべての事項は例示として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈すべきでない。

図１は本発明の特徴に従って構成された、部分的共有巻線構成を有する３段速単相誘導電動機の好ましい一実施形態の概略的電気回路図である。 図２は本発明の特徴による、図１の３段速単相誘導電動機の好ましい一実施形態を示す固定子コア巻線図である。 図３は本発明の特徴による、図１の電動機の巻線分布の好ましい一実施形態を示す固定子コア巻線図である。

Claims (13)

1. 単相多段速誘導電動機であって、
   固定子コアと、
   前記固定子コアに対して回転する関係にある回転子と、
   前記固定子コア上の部分的共有巻線と
   を具備し、
   前記部分的共有巻線は、前記電動機をＮ極構成で動作させることが望ましいときはその全体が付勢され、ここでＮは少なくとも２で且つ２の整数倍であり、
   前記部分的共有巻線は、前記電動機をＭ極構成で動作させることが望ましいときはその全体よりも少なく付勢され、ここでＭは偶数の整数で且つ最小Ｎの２倍である、
   単相多段速誘導電動機。
2. Ｎ＝４、Ｍ＝８であり、前記部分的共有巻線は第１の巻線部分と第２の巻線部分とを含み、前記第１の巻線部分は、前記電動機を４極構成および８極構成で動作させることが望ましいときに付勢されるよう構成されており、前記第２の巻線部分は、前記電動機を４極構成で動作させることが望ましいときのみ付勢されるよう構成されている、請求項１に記載の単相多段速誘導電動機。
3. 前記部分的共有巻線はさらに第３の巻線部分と第４の巻線部分とを含み、前記第３の巻線部分は、前記電動機を４極構成および８極構成で動作させることが望ましいときに付勢されるよう構成されており、前記第４の巻線部分は、前記電動機を４極構成で動作させることが望ましいときのみ付勢されるよう構成されている、請求項２に記載の単相多段速誘導電動機。
4. 前記第１、第２、第３および第４の巻線部分は前記固定子コア上に非順次的に巻かれている、請求項２に記載の単相多段速誘導電動機。
5. 前記第１の巻線部分は、さらに前記電動機を６極構成で動作させることが望ましいときに付勢されるよう構成されている、請求項２に記載の単相多段速誘導電動機。
6. Ｎ＝４、Ｍ＝８であり、さらに前記固定子コア上の非共有巻線を含み、該非共有巻線は前記電動機を６極構成で動作させることが望ましいときに付勢されるものである、請求項１に記載の単相多段速誘導電動機。
7. 前記固定子コアは複数のスロットを含み、前記部分的共有巻線は、第１のグループの前記複数のスロットの内部で概して非正弦曲線的分布をなすように支持された第１の巻線部分と、第２グループの前記複数のスロットの内部で概して正弦曲線的分布をなすように支持された第２の巻線部分とを含むものである、請求項１に記載の単相多段速誘導電動機。
8. さらに非共有巻線部分を含み、該非共有巻線部分は、前記電動機をＭ極構成で動作させることが望ましいときは前記部分的共有巻線の第１の巻線部分に関連して付勢され、前記非共有巻線部分は、第３のグループの前記複数のスロットの内部で概して正弦曲線的分布をなすように支持されたものである、請求項７に記載の単相多段速誘導電動機。
9. さらに、前記固定子コア上に巻かれた第３の巻線部分は前記電動機をＮ極構成で動作させるときのみ付勢され、前記第３の巻線部分は実質的に正弦曲線的巻線分布を有し、
   前記固定子コア上に巻かれた第４の巻線部分は前記電動機をＮ極構成とＭ極構成の両方で動作させるときに付勢され、前記第４の巻線部分は実質的に非正弦曲線的巻線分布を有するものである、請求項７に記載の単相多段速誘導電動機。
10. さらに、前記固定子コア上に巻かれた第３の巻線部分は前記電動機をＭ極構成で動作させるときのみ付勢され、前記電動機を８極構成で動作させるときは前記第２および第３の巻線部分が付勢されるものである、請求項７に記載の単相多段速誘導電動機。
11. さらに、前記固定子コア上の補助始動用巻線と、
    前記回転子の回転を開始させるために前記補助巻線を付勢する始動スイッチと、
    を含み、
    前記始動スイッチは前記回転子の回転が回転閾値を超えたとき前記補助巻線を消勢するものである、請求項１に記載の単相多段速誘導電動機。
12. Ｎ＝４、Ｍ＝８であり、前記電動機は４極構成、６極構成および８極構成で動作するよう構成されており、
    前記巻線は、
    前記固定子コア上に巻かれていて、４極構成においてのみ付勢される第１の巻線部分と、
    前記固定子コア上に巻かれていて、６極構成においてのみ付勢される第２の巻線部分と、
    前記固定子コア上に巻かれていて、８極構成においてのみ付勢される第３の巻線部分と、
    前記固定子コア上に巻かれていて、４極構成および８極構成において付勢されるが、６極構成では付勢されない第４の巻線部分と、
    を含むものである、
    請求項１に記載の単相多段速誘導電動機。
13. さらに、前記固定子コア上に巻かれた第５の巻線部分を含み、前記第５の巻線部分は、４極構成、６極構成および８極構成において付勢されるものである、請求項１２に記載の単相多段速誘導電動機。

Images